Зеркало из плазмы

Как плазма становится зеркалом, зачем свету аналоги музыкальных обертонов и почему лазер среднего инфракрасного диапазона позволяет снизить требования к пиковой интенсивности, «Ъ-Науке» рассказал Дмитрий Сидоров-Бирюков, старший научный сотрудник Российского квантового центра, МГУ им. М. В. Ломоносова и НИЦ «Курчатовский институт», соавтор исследования.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Дмитрий, что такое аттосекунда и почему ученым понадобилось измерять время такими невообразимо малыми отрезками?

— Аттосекунда — это 10^-18 секунды, одна квинтиллионная доля секунды. Но сама цифра мало что объясняет. Давайте сравним: один удар сердца занимает примерно секунду, человеческая жизнь — несколько миллиардов секунд. Со времени зарождения человеческого рода прошло 10¹⁴ секунды (несколько миллионов лет), а возраст Вселенной составляет около 14 млрд лет, или порядка 10¹⁷ секунды.

Двигаясь по этой шкале в обратном направлении к более коротким интервалам, мы обнаружим, что современные компьютерные системы способны за секунду совершать столько же операций, сколько секунд длится человеческая жизнь. Молекулы за секунду совершают число колебаний, сопоставимое с возрастом биологического рода, а электроны в атоме — с возрастом Вселенной. Синтезируя такие короткие временные всплески, мы получаем возможность различать все более быстрые процессы. Фемтосекундный масштаб — 10^-14–10¹⁵ секунды — позволяет наблюдать движение атомов и ход химических реакций в молекулах. За развитие таких методов Ахмед Зевейл получил Нобелевскую премию по химии в 1999 году.

Изменения электронной структуры происходят еще быстрее, поэтому для их исследования нужны уже аттосекундные импульсы. В 2023 году Нобелевскую премию по физике присудили за экспериментальные методы генерации таких импульсов Ференцу Краусу, Пьеру Агостини и Анн Люийе.

Аттосекундный импульс можно сравнить с чрезвычайно короткой вспышкой фотоаппарата. Если выдержка слишком длинная, быстро движущийся объект размывается: вместо автомобиля на ночной фотографии остаются световые полосы. Также невозможно различить быстрое изменение электронной структуры, если «вспышка» длится дольше самого процесса. Аттосекундные методы дают нам инструмент, чтобы исследовать электронную динамику и в конечном счете лучше понимать и направленно изменять свойства вещества.

— Почему обычные лазеры не подходят для съемки движения электронов, а аттосекундные импульсы подходят?

— Без обычного лазера здесь не обойтись, но сам по себе он для такой «съемки» слишком медленный. Возьмем распространенное излучение с длиной волны около 800 нм: один цикл электромагнитного поля длится примерно 2,7 фемтосекунды. Аттосекундная вспышка должна быть гораздо короче. Поэтому с помощью лазера получают широкий набор более высоких частот, в том числе в ультрафиолетовой области.

Непосредственно создать мощный лазер на таких коротких длинах волн сложно, поэтому используют нелинейное взаимодействие лазерного излучения с веществом. Сильное поле заставляет электроны двигаться нелинейно, и вещество начинает излучать не только на исходной частоте, но и на частотах, кратных ей,— высоких гармониках.

Если получить достаточно широкий набор гармоник и согласовать их фазы, в определенные моменты они будут усиливать друг друга и образовывать чрезвычайно короткие световые всплески. В зависимости от схемы это может быть последовательность аттосекундных импульсов или отдельный импульс. Иными словами, в нашей работе речь идет не о готовом одиночном импульсе, а об управляемой генерации гармоник — основе будущего аттосекундного источника.

— Что такое «плазменное зеркало» и чем оно отличается от обычного зеркала?

— Обычное зеркало отражает свет благодаря металлическому покрытию и свободным электронам в нем, которые почти не пропускают излучение внутрь. Плазменное зеркало создает сам лазер. Сначала мощный импульс направляют на металлическую или диэлектрическую пластинку. Лазер выбивает электроны из вещества, и на поверхности образуется плазма, то есть состояние с большим количеством свободных заряженных частиц. Как только их концентрация становится достаточно высокой, поверхность становится способной отражать лазерное излучение.

Плазменная поверхность не является неподвижным зеркалом. Под действием лазерного поля она начинает колебаться. Поэтому ее называют релятивистским осциллирующим плазменным зеркалом («осциллирующее» означает «колеблющееся»). Отражаясь от движущейся поверхности, лазерное излучение меняет свою частоту. Здесь проявляется аналог эффекта Доплера, который очень просто объясняется на примере из обычной жизни: когда поезд приближается к наблюдателю, звук кажется более высоким, а когда удаляется — более низким. Аналогичный эффект происходит со светом, отражающимся от движущейся плазменной поверхности.

Так в отраженном свете появляются высокие гармоники — частоты, которых не было в исходном лазерном импульсе. Из них затем можно сформировать аттосекундный импульс.

— Почему для формирования аттосекундного импульса нужны сразу несколько частот света (гармоники) и как они связаны с обертонами в музыке

— Одна световая волна колеблется непрерывно и сама по себе не дает отдельной короткой вспышки. Для этого нужно взять много волн разных частот и сложить их так, чтобы в определенный момент они усилили друг друга, а в другие моменты частично взаимно погасились. Чем больше согласованных частот, тем короче может быть получившийся импульс.

Гармоники представляют собой частоты, кратные частоте исходного лазера. В этом они похожи на обертоны в музыке. Например, частота той же ноты в следующей октаве в два раза выше. Но одной кратности недостаточно: гармоники должны прийти в нужную точку одновременно и в правильной фазе.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Зачем в эксперименте понадобились два последовательных импульса, подготовительный и основной, и что делает каждый из них?

— В случае твердой мишени важна не только мощность лазера, но и состояние плазмы к моменту прихода основного импульса: ее плотность и то, насколько резко эта плотность меняется у поверхности. От этого зависит и само взаимодействие с лазером, и набор получаемых гармоник.

Поэтому сначала на мишень направляют подготовительный импульс. Он ионизирует поверхность и создает плазму. Затем плазма начинает расширяться, и первоначально резкий переход от плотной области к менее плотной становится более плавным. Крутизну этого перехода называют градиентом плотности плазмы.

Через определенное время после подготовительного импульса на эту уже сформировавшуюся плазму направляют основной, или зондирующий, импульс. Он взаимодействует с плазмой и генерирует гармоники. Таким образом, первый импульс нужен для того, чтобы подготовить плазменную поверхность, а второй — чтобы исследовать ее и получить необходимое излучение.

Особенность разработанной системы заключается в возможности очень точно менять задержку между этими двумя импульсами. В эксперименте удалось реализовать задержку на уровне 0,1 пикосекунды, то есть 10^-13 секунды.

— Как изменение задержки между двумя импульсами влияет на состояние плазмы и механизм генерации гармоник?

— После подготовительного импульса плазма расширяется, поэтому со временем меняются ее плотность и градиент. При другой задержке основной импульс взаимодействует с плазмой уже в другом состоянии.

Для разных механизмов генерации гармоник нужен разный профиль плазмы. Для одного из механизмов, связанного с движением электронов в плазме, нужен более резкий градиент. Для режима осциллирующего плазменного зеркала градиент должен быть более плавным. Поэтому задержка служит способом настройки. Сначала мы создаем плазму, затем ждем, пока она расширится до нужного состояния, и после направляем основной импульс, тем самым выбирая механизм генерации гармоник.

— Что значит «режим осциллирующего зеркала» и почему его устойчивость — ключевой результат работы?

— В режиме осциллирующего зеркала плазменная поверхность колеблется под действием мощного лазерного поля и отражает излучение. При отражении от движущейся поверхности частота света меняется, поэтому возникают высокие гармоники. Для такого режима важно правильно подготовить плазму. Если градиент имеет неподходящую крутизну, может преобладать другой механизм генерации.

Главное — мы научились управлять этим режимом. Меняем задержку — плазма успевает расшириться сильнее или слабее, а ее градиент становится более или менее плавным. Выбрав момент прихода основного импульса, можно получить режим осциллирующего зеркала и нужный набор гармоник для формирования короткой световой вспышки.

— Какие конкретные материалы и процессы станут доступны для изучения благодаря этой методике?

— Наша методика не предназначена для какого-то одного конкретного материала и сама по себе не открывает новый класс объектов. Ее задача — дать другой, более управляемый способ получения высоких гармоник, из которых формируют аттосекундные импульсы.

С помощью аттосекундных импульсов можно изучать движение электронов и переходы между электронными состояниями. В числе потенциальных объектов — новые материалы и двумерные структуры, которые рассматриваются, в частности, для задач квантовых вычислений и повышения быстродействия электроники.

Главный результат работы не в том, что теперь становятся доступны принципиально новые материалы, а в другом способе получения и управления излучением для исследования тех же процессов.

— Чем новый подход лучше существующих? Почему он проще, надежнее и требует меньше перенастройки?

— Один из стандартных способов получения аттосекундного излучения — генерация высоких гармоник в газовой струе. Этот метод хорошо отработан, но атомов в струе относительно мало, а при повышении интенсивности начинается сильная ионизация. Поэтому энергия получаемого излучения ограничена.

В нашем подходе вместо газовой струи используется твердая мишень, на поверхности которой лазер создает плазму. Ключевая особенность системы — лазер среднего инфракрасного диапазона с длиной волны около 4 мкм. При прочих равных условиях энергия, которую получает электрон в лазерном поле, растет пропорционально квадрату длины волны. Поэтому нужного режима взаимодействия можно достичь при существенно меньшей интенсивности, чем с более коротковолновым лазером.

Есть и еще одна особенность: плазму можно заранее подготовить отдельным коротким импульсом. Основной импульс приходит позже, когда градиент становится подходящим для выбранного режима генерации. Этот момент настраивают, меняя задержку. Но сама установка от этого не становится простой или дешевой — это по-прежнему сложное экспериментальное оборудование.

— Как скоро такая технология может появиться в обычных исследовательских лабораториях и кто заинтересован в ее внедрении?

— Пока речь идет прежде всего о фундаментальных исследованиях, поэтому назвать конкретный срок широкого внедрения сложно. Лазерных систем среднего инфракрасного диапазона пока немного, хотя разные лаборатории создают и используют их в своих исследованиях. В Российском квантовом центре создана уникальная лазерная система, на которой имеют возможность объединить исследования ученые из ведущих научных групп Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова и НИЦ «Курчатовский институт». РКЦ стал площадкой, на которой объединились компетенции научной школы МГУ, основанной выдающимися учеными: Рэмом Викторовичем Хохловым (в этом году отмечается 100 лет со дня его рождения), Сергеем Александровичем Ахмановым, Николаем Ивановичем Коротеевым с инженерными наработками Курчатовского института, начатыми еще Евгением Павловичем Велиховым.

Подход может быть интересен научным группам, которые изучают свойства материалов и сверхбыстрые процессы с участием электронов. Его потенциальное преимущество — меньшие требования к интенсивности лазерного излучения и возможность управлять условиями генерации с помощью задержки между двумя импульсами.

Беседовала Лидия Петешова